水稻秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用的理論與實踐

米甲明，歐陽亦聃

1.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)植物科學(xué)技術(shù)學(xué)院，武漢 430070； 2.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院/作物遺傳改良國家重點實驗室/ 國家植物基因研究中心(武漢)/湖北洪山實驗室，武漢 430070

水稻高產(chǎn)是一個永恒的主題，雜交水稻的成功應(yīng)用與實踐讓水稻產(chǎn)量有了新的飛躍，被水稻界譽為繼矮稈育種后的第2次綠色革命。然而，受限于有限的品種間雜種優(yōu)勢水平，雜交稻單產(chǎn)徘徊不前。亞洲栽培稻分為秈稻和粳稻2個亞種，秈稻和粳稻之間遠緣雜種優(yōu)勢的利用是進一步提高水稻單產(chǎn)的重要途徑[1]。袁隆平[2]于1987年提出了秈粳雜種優(yōu)勢利用的戰(zhàn)略構(gòu)想，即通過克服雜種不育改良秈粳雜交稻的結(jié)實率，以利用亞種間雜種的產(chǎn)量潛力。為此，我國水稻遺傳學(xué)家長期致力于秈粳雜種不育和廣親和的遺傳機制研究，相關(guān)理論研究成果加速了秈粳亞種間雜交稻結(jié)實率的分子改良。此外，我國水稻育種家在秈粳亞種間雜交稻的配組模式方面開展了大量的育種實踐，試圖探索出一條實現(xiàn)秈粳雜種優(yōu)勢利用的有效途徑。

1 雜種不育和廣親和現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)

1.1 雜種不育：秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用的障礙

我國早在漢代，對水稻的劃分已存在秈稻(OryzasativaL. ssp.indica/xian)和粳稻(O.sativaL. ssp.japonica/geng)2種類型，它們是亞洲栽培稻(O.sativaL.)經(jīng)過長期的自然選擇和人工馴化演化而成的2個主要亞種[3]。秈稻和粳稻在生態(tài)適應(yīng)性、形態(tài)特征以及分子水平均具有明顯的遺傳分化[4]，因此2個亞種間的雜種比品種間雜種具有更強的雜種優(yōu)勢；但是秈粳亞種間遠緣雜種的低結(jié)實率限制了其雜種優(yōu)勢的有效利用。

日本學(xué)者Kato等[5]首次報道了秈粳雜種不育現(xiàn)象；此后，一系列遺傳研究發(fā)現(xiàn)秈粳亞種間雜種的結(jié)實率普遍低于亞種內(nèi)的雜種[6-9]。秈粳雜種結(jié)實率下降的原因非常復(fù)雜：基于不同遺傳背景的秈粳雜交組合，發(fā)現(xiàn)雜種的育性障礙貫穿整個生殖發(fā)育過程。雌配子/胚囊敗育、雄配子/花粉敗育、柱頭的花粉附著率低以及花粉萌發(fā)率低等均可降低秈粳雜交稻的結(jié)實率，其中雌、雄配子敗育是主要原因[10]。基于秈粳雜種雌、雄配子不同發(fā)育時期的動態(tài)觀察，發(fā)現(xiàn)雄配子敗育主要發(fā)生在單核花粉期，絨氈層的不正常解體是導(dǎo)致小孢子異常的主要原因；而雌配子敗育則主要發(fā)生在胚囊形成和功能大孢子第1次有絲分裂及之后[11]。此外，在不同秈粳雜交組合中雌、雄配子的敗育程度也存在顯著差異[12]。為了解釋雜種不育現(xiàn)象，日本學(xué)者提出了2個遺傳模型：“重復(fù)隱性配子致死(duplicate recessive gametic lethal)”模型認為，雜種不育由與配子發(fā)育相關(guān)的2個獨立位點控制，每個位點上有不育(s)或可育(S)等位基因，配子的正常發(fā)育至少需要1個顯性等位基因S的存在，故攜帶2個隱性等位基因s1/s2的配子敗育，導(dǎo)致秈粳雜種不育[13-14]；而“單位點孢子體-配子體互作(one locus sporo-gametophytic interaction)”模型認為，秈稻和粳稻在雜種不育位點上分別攜帶純合秈型S-i/S-i和粳型S-j/S-j基因型，秈粳雜種基因型為S-i/S-j。雜種中秈型S-i和粳型S-j等位基因的互作導(dǎo)致攜帶S-i或S-j的配子致死，從而表現(xiàn)秈粳雜種不育[15]。這種亞種間的雜種不育現(xiàn)象極大地限制了秈粳遠緣雜種優(yōu)勢的利用。

1.2 水稻的廣親和性：秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用的橋梁

在對水稻雜交親和性的研究中，發(fā)現(xiàn)一類特殊的水稻品種與秈稻和粳稻的雜種都表現(xiàn)出較高的育性[16-19]?；谶@一現(xiàn)象，Ikehashi等[19]將這一類特殊的水稻品種定義為廣親和品種，且遺傳分析表明這些品種的廣親和性由廣親和基因所調(diào)控[20]。國內(nèi)外學(xué)者通過廣泛的測交工作，篩選了一批廣親和種質(zhì)資源[21]?；趤碜圆煌瑖液偷貐^(qū)代表性水稻品種(包括秈稻、粳稻和廣親和品種)的雙列雜交試驗結(jié)果，Liu等[7]進一步對不同品種的廣親和性進行了分析，發(fā)現(xiàn)來自印度的Dular、來自江蘇的02428以及來自印度尼西亞的Ketan Nangka對秈稻、粳稻均具有較高的廣親和性，且3個品種的廣親和性也存在差異。為了解釋廣親和性現(xiàn)象，Ikehashi等[20]在“單位點孢子體-配子體互作”模型的基礎(chǔ)上提出了廣親和模型，認為雜種不育位點S上存在一個復(fù)等位基因，即廣親和等位基因S-n。廣親和品種在雜種不育位點上攜帶純合廣親和基因型S-n/S-n，與秈稻、粳稻雜交后分別產(chǎn)生基因型為S-n/S-i、S-n/S-j的雜種，育性均表現(xiàn)正常。廣親和品種是克服秈粳雜種不育的重要基因資源，而解析雜種不育以及廣親和性的遺傳機制，對有效利用秈粳雜種優(yōu)勢具有重要的實踐意義。

2 秈粳雜種不育與廣親和性的調(diào)控機制

2.1 基于不同遺傳群體的秈粳雜種不育與廣親和性的遺傳基礎(chǔ)研究

秈粳雜種不育和廣親和性一直是水稻基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的熱點，在這一領(lǐng)域也取得了一系列理論研究成果。為了解析秈粳雜種不育和廣親和的遺傳基礎(chǔ)，研究者利用秈稻、粳稻和廣親和品種構(gòu)建的多個三交群體開展了遺傳分析，先后定位了S5、f3、f5、f8、pf12、S7、S8、S9和S19等秈粳雜種不育和廣親和位點[8-9，22-26]。也有學(xué)者利用低世代回交群體、染色體片段代換系和近等基因系等遺傳群體開展相關(guān)遺傳分析，基于秈粳交BC1F1回交群體定位了亞種間雜種不育位點S31和S32[27-28]。Kubo等[29-31]利用粳稻遺傳背景的染色體片段代換系，先后定位了S24、S35和hsa1等雜種不育位點。研究者利用臺中65的近等基因系，對水稻雜種花粉不育性進行了系統(tǒng)的遺傳研究，先后定位了Sa、Sb、Sc、Sd和Se等5個秈粳雜種花粉不育位點[32-39]。此外，Mizuta等[40]通過秈粳交F2群體，檢測到2個互作的秈粳雜種不育位點DPL1和DPL2。我國學(xué)者結(jié)合秈粳交F2群體和高密度遺傳連鎖圖，對秈粳雜種雄性不育、雌性不育和小穗不育的遺傳調(diào)控網(wǎng)絡(luò)進行了全基因組遺傳剖析，定位到24個影響秈粳雜種育性的效應(yīng)位點，包括6個新發(fā)掘的雜種不育位點，并進一步闡明了雜種不育位點間復(fù)雜的上位性互作效應(yīng)[41]。綜上，在不同的遺傳定位群體可以定位到不同的雜種不育位點，不同秈粳雜交組合的雜種不育遺傳基礎(chǔ)存在差異[42]。

2.2 秈粳雜種不育和廣親和基因的克隆與分子機制

在秈稻和粳稻雜交群體中，迄今為止已克隆了6個不同的雜種不育位點/位點對，包含11個相關(guān)的效應(yīng)基因。其中3個位點S5、hsa1和S7調(diào)控秈粳雜種的胚囊育性，另外3個位點/位點對Sa、Sc和DPL1/DPL2調(diào)控秈粳雜種的花粉育性[31，43-46]。此外，在栽培稻和野生稻、亞洲栽培稻和非洲栽培稻之間，也分別克隆了qHMS7、S27/S28、DGS1/DGS2和S1等4個雜種不育位點/位點對[47-52]。

S5是調(diào)控秈粳雜種胚囊育性的主效位點，在多個不同的遺傳群體中都能被檢測到[8-9，22-23]。在精細定位和圖位克隆的基礎(chǔ)上[53-54]，發(fā)現(xiàn)S5位點存在3個緊密連鎖的基因ORF3、ORF4和ORF5，且秈稻和粳稻分別攜帶ORF3+ORF4-ORF5+和ORF3-ORF4+ORF5-這2種不同的基因型。在秈粳雜種中，ORF5+作為“殺手”破壞細胞壁的完整性，進而被細胞膜上的“幫兇”O(jiān)RF4+所感知，從而導(dǎo)致細胞內(nèi)的內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫。而未攜帶“護衛(wèi)”O(jiān)RF3+的雌配子由于無法解除內(nèi)質(zhì)網(wǎng)脅迫，導(dǎo)致細胞程序性死亡的提前發(fā)生和胚囊敗育[45，54-55]。因此，S5位點的廣親和基因型應(yīng)破壞“殺手”組分或者保留“護衛(wèi)”組分。通過對S5位點在不同水稻資源的基因型分析發(fā)現(xiàn)，祖先的水稻群體攜帶了攻擊性和保護性兼?zhèn)涞幕蛐蚈RF3+ORF4+ORF5+；隨后，在不同的水稻群體中，“幫兇”O(jiān)RF4+突變形成了典型的秈稻基因型ORF3+ORF4-ORF5+，或者“殺手”O(jiān)RF5+和“護衛(wèi)”O(jiān)RF3+依次突變形成了典型的粳稻基因型ORF3-ORF4+ORF5-。而“殺手”或“幫兇”的丟失以及不同基因型之間的雜交和重組，產(chǎn)生了沒有“殺手”但是保留“護衛(wèi)”的廣親和基因型，對解決秈粳雜種不育具有潛在的利用價值[56-57]。

另外2個調(diào)控秈粳雜種胚囊不育的位點中，hsa1也包含2個緊密連鎖的遺傳互作基因HSA1a和HSA1b。粳稻等位基因HSA1a-j編碼1個高度保守而功能未知的植物特異結(jié)構(gòu)域蛋白DUF1618，而秈稻等位基因HSA1a-i由于結(jié)構(gòu)域的破壞而喪失功能。秈稻等位基因HSA1b-i編碼類核酸結(jié)合蛋白，在遺傳背景為秈型純合HSA1b-i/HSA1b-i的雜種中，攜帶HSA1a-j的胚囊敗育從而導(dǎo)致秈粳雜種不育[31]。而S7位點上的ORF3基因編碼1個含有三角狀四肽重復(fù)結(jié)構(gòu)域的蛋白，其秈粳等位基因之間的互作導(dǎo)致雜種胚囊不育，ORF3下調(diào)表達可以恢復(fù)秈粳雜種小穗的育性[46]。

調(diào)控秈粳雜種花粉不育位點的機制也各不相同。Sa位點同樣包含2個緊密連鎖基因SaF和SaM，秈稻品種多攜帶SaF+SaM+，粳稻品種基因型多為SaF-SaM-。秈粳雜種中，SaF+、SaM-和SaM+三者互作導(dǎo)致攜帶SaM-的花粉敗育，引起秈粳雜種花粉半不育[43]。在Sc位點秈粳等位基因間的DNA序列存在復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變異，秈稻等位基因Sc-i攜帶2～3個Sc-j的同源拷貝，因此秈粳雜種中Sc-i的高表達抑制了花粉中Sc-j的表達，進而造成攜帶Sc-j的花粉敗育[44]。DPL1和DPL2為一對隱性重復(fù)致死基因，DPL1的秈型等位基因由于轉(zhuǎn)座子的插入而不表達，而DPL2的粳型等位基因，其編碼蛋白提前終止，因此，秈稻和粳稻在DPL1和DPL2各有1個基因喪失功能；在秈粳雜種中，攜帶雙隱性功能缺失等位基因的花粉不能萌發(fā)，從而引起秈粳雜種不育[40]。

以上研究結(jié)果揭示了秈粳雜種不育和廣親和性的復(fù)雜遺傳調(diào)控機制，為克服秈粳雜種的育性障礙提供了理論指導(dǎo)。秈粳亞種間的雜種不育存在單個位點和品種(全基因組)2個層面，而利用亞種間雜種優(yōu)勢的終極目標是要克服秈稻和粳稻品種水平的雜種不育。隨著更多雜種不育位點遺傳機制的解析，更豐富的基因資源可以為分子育種所用，最終有望實現(xiàn)品種水平的親和性，以期攻克秈粳雜交稻低結(jié)實率的難題。

3 秈粳雜交稻的結(jié)實率改良

亞種間雜種不育引起的雜交稻結(jié)實率降低長期制約著秈粳強雜種優(yōu)勢的利用。因此，提高秈粳雜種的結(jié)實率成為強優(yōu)勢亞種間雜交稻選育的關(guān)鍵。早期遺傳理論較為匱乏，育種家多采用常規(guī)育種手段，經(jīng)一次或幾次復(fù)交或回交，輔以廣泛測交的方法，解決秈粳雜種不育的問題，該育種方法也被稱之為“秈粳架橋”，即粳中摻秈或秈中摻粳策略。在該思想指導(dǎo)下，國內(nèi)育種家先后選育了摻秈的粳稻恢復(fù)系C57、C418以及摻粳的秈稻恢復(fù)系T2070、T984[58-61]。“秈粳架橋”育種方法在一定程度上提高了秈粳雜種結(jié)實率，然而用該方法育成的品系廣親和性遺傳基礎(chǔ)不清，且育種選擇存在一定的隨機性，限制了其作為種質(zhì)資源被高效利用。

隨著秈粳雜種不育遺傳機制的逐漸明晰，水稻育種家進一步提出了通過分子育種技術(shù)精準改良秈粳雜交稻結(jié)實率的技術(shù)策略。策略之一是基于廣親和理論，利用基因組育種技術(shù)將多個廣親和基因聚合于秈稻或者粳稻的遺傳背景，培育在多個雜種不育位點表現(xiàn)廣親和性的廣親和系[62]。實踐證明這一策略是可行的：通過將廣親和基因S5-n和f5-n同步導(dǎo)入到優(yōu)良秈稻恢復(fù)系9311中，快速育成了廣親和基因聚合系，其與粳稻的雜種結(jié)實率提高了33.6%～46.7%[12]。針對已克隆的雜種不育位點，則可以采用基因編輯技術(shù)創(chuàng)制廣親和基因資源。比如利用CRISPR-Cas9基因編輯系統(tǒng)，成功地將雜種不育位點的秈型等位基因Sa-i和Sc-i編輯為對應(yīng)的廣親和等位基因，從而實現(xiàn)廣親和基因的人工創(chuàng)制[44，63]。

利用分子育種技術(shù)精準改良秈粳雜交稻結(jié)實率的另一策略是培育粳型親秈系或秈型親粳系等特異親和系。將秈型等位基因S-i或粳型S-j等位基因?qū)刖净蚨i稻，可培育粳型親秈系或秈型親粳系。在雜種不育位點攜帶秈型S-i/S-i基因型的粳稻品種即為粳型親秈系，而攜帶粳型S-j/S-j基因型的秈稻品種為秈型親粳系；它們與亞種間品種雜交的結(jié)實率高于其與亞種內(nèi)品種雜交的結(jié)實率[64]。通過分子標記輔助育種技術(shù)，可將多個雜種不育位點的秈型等位基因Sb-i、Sc-i、Sd-i和Se-i聚合于粳稻品種臺中65，從而培育出粳型親秈系Tbcde，該品系能有效地克服秈粳雜種的花粉不育性[65]。

在秈粳雜交稻分子育種中，往往需要將多個策略結(jié)合起來，以實現(xiàn)在品種水平的親和性。通過將2個廣親和等位基因S5-n和f5-n和1個粳型特異親和基因pf12-j聚合于優(yōu)良秈稻恢復(fù)系9311，最終成功選育出廣親和性恢復(fù)系，該品系所測配的部分秈粳雜交組合的結(jié)實率已達生產(chǎn)應(yīng)用水平[66]。此分子育種實踐案例表明，不同秈粳雜交組合的雜種不育位點存在差異，結(jié)實率的改良存在組合特異性。需要基于分子遺傳對每個秈粳雜交組合進行準確評價和精準設(shè)計，意味著秈粳雜交稻的結(jié)實率改良正由傳統(tǒng)育種逐步走向精準高效的基因組育種。

4 秈粳亞種間雜種優(yōu)勢利用的配組模式

在提高秈粳雜種結(jié)實率的基礎(chǔ)上，進一步實現(xiàn)秈粳雜交稻的商業(yè)化生產(chǎn)是水稻種業(yè)發(fā)展需要考慮的另一重要問題。兩系法、三系法與“秈不粳恢”、“粳不秈恢”相互結(jié)合的不同雜交配組模式是秈粳雜種優(yōu)勢利用從理論走向應(yīng)用的重要途徑。

三系法主要通過高異交率的秈型或者粳型細胞質(zhì)雄性不育系與粳型或者秈型恢復(fù)系配組，從而育成強優(yōu)勢三系秈粳雜交稻組合，包括三系“粳不秈恢”和“秈不粳恢”2種配組模式。目前，三系“粳不秈恢”模式已經(jīng)在生產(chǎn)上得到應(yīng)用，寧波市農(nóng)業(yè)科學(xué)院馬榮榮等[67]培育出4份秈型親粳恢復(fù)系K222001、K264806、K306093和K316211，分別與滇型的三系粳稻不育系甬粳2A配組后，選育出秈粳雜交組合甬優(yōu)4號、甬優(yōu)6號、甬優(yōu)9號和甬優(yōu)11號。三系“秈不粳恢”配組模式雖然還未見成功育種案例，但實現(xiàn)該模式的雜種優(yōu)勢利用也是可預(yù)期的。我國秈粳雜交稻親本種質(zhì)資源豐富，如中國水稻研究所選育出4份秈粳中間型的廣親和恢復(fù)系CH58、CH59、C18和C84能夠同時恢復(fù)滇型、BT型、矮敗型等粳稻不育系以及野敗型、印水型等秈稻不育系的育性[68]，下一步則可以此廣和親系為親本，將恢復(fù)基因和廣親和基因同步轉(zhuǎn)育至粳稻，培育能恢復(fù)三系秈型不育系的粳型恢復(fù)系，從而實現(xiàn)三系“秈不粳恢”配組模式的利用。

兩系法可使秈粳雜種優(yōu)勢利用擺脫恢保關(guān)系的限制，其配組自由，是值得推薦的秈粳雜種優(yōu)勢利用途徑。兩系法主要通過高異交率的秈型或者粳型光溫敏細胞核雄性不育系與粳型或者秈型恢復(fù)系配組，從而育成強優(yōu)勢兩系秈粳雜交稻組合，包括兩系“粳不秈恢”和“秈不粳恢”2種配組模式。袁隆平在1990年提出借助兩系法利用亞種雜種優(yōu)勢的育種思想，其團隊于2017年選育并審定了兩系秈粳雜交稻湘兩優(yōu)900，該組合母本廣湘24S為秈型兩系光溫敏核不育系，父本R900為粳型廣親和恢復(fù)系，屬于典型的兩系“秈不粳恢”配組模式[69]。浙江大學(xué)于2018年也審定了兩系秈粳雜交稻江兩優(yōu)7901，其母本江79S是粳型兩系光溫敏核不育系，父本江恢1501為秈型廣親和恢復(fù)系，屬于典型的兩系“粳不秈恢”配組模式(https://www.ricedata.cn/variety/)。

以上育種實踐表明，兩系法和三系法均是秈粳雜種優(yōu)勢利用的重要途徑。隨著我國雜種優(yōu)勢利用理論和技術(shù)的成熟，秈粳雜交稻將呈現(xiàn)更為豐富和多樣的類型。

5 秈粳雜交稻育種展望

如何實現(xiàn)高效精準的秈粳雜種優(yōu)勢利用仍然是擺在育種家面前的難題。近年來，隨著水稻分子生物學(xué)、功能基因組學(xué)的發(fā)展，尤其是秈粳雜種不育與廣親和性理論的發(fā)展，秈粳雜交稻基因組育種勢在必行。對未來秈粳亞種間雜交稻研究進行展望，有以下幾點建議：

1)培育生態(tài)適應(yīng)性強的秈粳雜交稻。設(shè)計與當?shù)馗髦贫?、氣候條件相適應(yīng)的株型和生育期，通過基因組育種在雙親中選擇相同的株高和生育期等位基因，以解決株高和生育期超親問題，實現(xiàn)秈粳雜種優(yōu)勢的利用與株型、生育期的有機結(jié)合，進而實現(xiàn)秈粳雜種優(yōu)勢的最大化利用。如攜帶“理想株型”基因ipa1-2D的大穗壯稈秈粳雜交稻是否適應(yīng)江漢平原中稻主產(chǎn)區(qū)仍需探索。故不同生態(tài)區(qū)域的育種家需因地制宜地制定秈粳雜交稻的選育策略。

2)培育高產(chǎn)與營養(yǎng)健康兼顧型秈粳雜交稻。張啟發(fā)[70-71]提出“黑米主食化”的稻米消費理念，提高稻米營養(yǎng)價值以促進人類健康。利用基因組育種技術(shù)，以秈粳雜交稻為“底盤”，導(dǎo)入營養(yǎng)健康效應(yīng)相關(guān)基因，從而實現(xiàn)營養(yǎng)健康稻米的產(chǎn)量提升是切實可行的。

3)培育符合農(nóng)業(yè)綠色發(fā)展理念的秈粳雜交稻。在秈粳雜交稻品種培育中，應(yīng)整合抗多種主要病蟲害、養(yǎng)分高效、抗逆境等綠色性狀，以降低秈粳雜交稻生產(chǎn)過程中的農(nóng)藥和化肥投入，保護農(nóng)業(yè)生態(tài)環(huán)境。秈粳雜交稻的基因組由亞種遠緣基因組組合而成，需要挖掘一批能應(yīng)用于秈粳雜合遺傳背景下的優(yōu)良基因資源，服務(wù)于秈粳雜交稻的綠色性狀改良。

4)加強秈粳雜交稻的理論基礎(chǔ)研究，實現(xiàn)秈粳雜種優(yōu)勢利用和結(jié)實率改良的精準設(shè)計，通過基因組育種全面提高秈粳雜交稻選育的效率。盡管我國在秈粳雜種不育和廣親和性遺傳理論研究領(lǐng)域取得了系列成果，秈粳雜種優(yōu)勢的遺傳機制以及雜種不育上位性互作的遺傳基礎(chǔ)仍然不清楚。期待未來更深入的理論基礎(chǔ)研究能為秈粳雜交稻的基因組育種提供遺傳方案。